Márcio Henrique Camargos d Ávila

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1 Márcio Henrique Camargos d Ávila Contribuições para a Implementação do Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7 em uma Central Telefônica Baseada em Ambiente de Processamento Distribuído Dissertação apresentada ao Curso de Pós- Graduação em Ciência da Computação do Instituto de Ciências Exatas da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação. Belo Horizonte Março de 1998

2 ii Resumo Em decorrência da evolução tecnológica nos campos da informática e das telecomunicações, fez-se necessária uma modernização da sinalização telefônica, que consiste basicamente na troca de informações de controle, gerenciamento e supervisão entre as centrais telefônicas e outros componentes das redes de telecomunicações. Com isso, foi especificado mundialmente um novo padrão que provê uma moderna rede digital de controle e transporte de dados, conhecido como Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7 - SS7. O presente trabalho apresenta o estudo e a implementação do SS7 e seus protocolos aplicados à Central Telefônica ELCOM da Batik Equipamentos S/A. É enfocada a implementação inicial do elemento fundamental da sinalização SS7 o Subsistema de Transferência de Mensagens - MTP na Central ELCOM e as subseqüentes evoluções para implementação de um MTP descentralizado dentro da arquitetura de processamento distribuído da Central. Abstract Due to the technological evolution in the computing and telecommunications fields, an update in telephone signaling becomes necessary, which basically consists of exchanging control, management and supervision information among telephone switches and other telecommunication networks components. Therefore a new worldwide standard was proposed, which provides a modern digital network for data control and transfer, known as Common Channel Signaling System No. 7 SS7. This work presents the study and implementation of SS7 and its protocols applied to the EL- COM Switch from Batik Equipments. The work is focused on the initial implementation of the SS7 Signaling fundamental element, the Message Transfer Part - MTP, in the ELCOM Switch, and the subsequent evolution to a decentralized MTP inside the Switch distributed processing architecture.

3 iii Agradecimentos Ao meu orientador, Antônio Otávio, que além de zelar pelo progresso deste trabalho e pela coordenação do convênio entre o DCC/UFMG e a Batik, garantiu apoio e incentivo fundamentais durante todo este trabalho e me recebeu sempre com camaradagem e amizade. Ao Welter e ao Marcelo, que estiveram no mesmo barco que eu, sendo muito mais que colegas de Mestrado e de projeto no convênio Batik/DCC, grandes amigos e companheiros. À equipe de desenvolvimento da Batik, em especial ao Abílio e ao Eugênio, que participaram ativamente de todo o processo; mas sem esquecer de todo o pessoal restante. Ao José Edgard, que à frente da coordenação por parte da Batik no convênio com o DCC/UFMG, nos recebeu com total atenção, respeito, transparência, cordialidade e apoio. Agradeço também à Batik por proporcionar aos pesquisadores da Universidade instigantes trabalhos de alto caráter prático e interesse científico. Ao professor José Monteiro, que não me deixou esquecer em momento algum a relevância e seriedade deste trabalho acadêmico. Ao professor Claudionor José, que me deu orientações práticas importantes sobre como buscar um texto claro, conciso, coerente e bem ilustrado. Ao Marco Aurélio, que na reta final me forneceu valiosas contribuições para análise de diversos aspectos da implementação. Aos funcionários(as) do Departamento de Ciência da Computação da UFMG, sempre cordiais, prestativos e eficientes. Aos colegas do convênio, bem como demais colegas e amigos no Departamento de Ciência da Computação, que tornaram sempre descontraído e animado o ambiente do Campus. Aos meus irmãos(ãs) e cunhados(as) e aos (felizmente, muitos!) bons amigos(as), que com seu companheirismo me trouxeram constante incentivo, compreensão e apoio. A Deus, que me deu ânimo e forças diante de todas as situações, em especial na solitária e angustiante tarefa de sintetização de todas as informações e atividades envolvidas neste trabalho, resultando na presente dissertação. Contudo, dedico especialmente este trabalho aos meus pais, Carlos e Daisy, aos quais, mais do que o reconhecimento com respeito, orgulho e felicidade por todo o amor, dedicação e a- poio incondicionais e permanentes que deles recebo, devo uma sólida base para minha vida. A eles, palavras não são suficientes para expressar o quanto há a retribuir...

4 iv Sumário Índice de Figuras 1 Introdução Motivação e objetivos Convênio Batik / DCC: Trabalhos relacionados Fundamentos de telefonia Sinalização telefônica Sistema de sinalização por canal comum nº 7: SS Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7 SS Considerações sobre o SS7 na telefonia Áreas de pesquisa sobre SS Protocolos da rede SS Fundamentos da rede SS Subsistema de Transferência de Mensagens MTP Nível físico MTP MTP Unidade de sinal - SU Funções do MTP MTP Tratamento de mensagens Gerenciamento de rede A Central ELCOM Batik Estrutura de Hardware da Central ELCOM A Estrutura de Controle da Central ELCOM Barramento externo e placas telefônicas da central ELCOM Estrutura de Comutação Arquitetura: Ponto de vista computacional Estrutura de Software da Central ELCOM Sistema Básico Inicialização, Configuração e Reconfiguração Operação, Manutenção e Supervisão (OMS) Processamento de Chamadas O sistema de mestria de unidades da central vi

5 4.2.6 Carga do Programa Controlador da Central Implementação do SS7 na Central Batik ELCOM Diretrizes para a implantação do SS7 na Central ELCOM Implementação do SS7 na Central ELCOM Nível físico MTP MTP MTP Subsistemas de aplicação usuária: TUP e ISUP Aspectos da implementação do software do MTP Sistema monolítico em MS-DOS Implementação multitarefa monoprocessada na Central ELCOM Implementação descentralizada na Central ELCOM Conclusões Resultados Trabalhos futuros A Normas aplicáveis de telecomunicações 52 A.1 Principais Recomendações ITU sobre SS A.2 Outras Recomendações ITU de SS7 e Telefonia A.3 Práticas Telebrás B LEDS/SDL - Linguagem para Especificação e Descrição de Sistemas 55 C Referências na World Wide Web 57 C.1 Organismos Oficiais ligados a Telecomunicações C.1.1 União Internacional de Telecomunicações - ITU C.1.2 Brasil C.1.3 Estados Unidos (EUA) C.1.4 Entidades de pesquisa geral C.2 Sistema de Sinalização por Canal Comum #7 - SS C.2.1 Tutoriais On-Line C.2.2 Referências e Informações Técnicas Bibliografia 60 v

6 vi Índice de Figuras Figura 1.1: Linhas telefônicas e Central telefônica... 4 Figura 1.2: Conceitos sobre redes telefônicas... 5 Figura 1.3: Tipos de sinais na sinalização telefônica convencional... 6 Figura 1.4: Sinalização...7 Figura 2.1: Áreas de Pesquisa macroscópica e microscópica do SS Figura 2.2: Camadas do SS7 e comparação com o Modelo OSI Figura 2.3: Exemplos de associação entre a sinalização e os canais de voz Figura 3.1: Unidades de sinal - SU Figura 3.2: MTP Nível 3 - Funções e fluxo de mensagens Figura 4.1: Arquitetura da central ELCOM Figura 4.2: Arquitetura da Central Ponto de vista computacional Figura 4.3: Interação entre principais módulos do sistema básico da central ELCOM Figura 4.4: Diagrama em blocos do subsistema de OMS da central ELCOM Figura 4.5: Principais tarefas do processamento de chamadas na Central ELCOM Figura 5.1: MTP monolítico em DOS Figura 5.2: Software do MTP multitarefa centralizado na ELCOM Figura 5.3: Tarefas do software do MTP descentralizado Figura B.1: Diagrama em LEDS/SDL... 56

7 1 Capítulo 1 Introdução Sinalização telefônica consiste basicamente na troca de informações de controle, gerenciamento e supervisão entre as centrais telefônicas e outros componentes das redes de telecomunicações. Em decorrência da evolução tecnológica nos campos da informática e das telecomunicações, tem havido uma grande expansão de aplicações sobre as redes de telecomunicação e a conseqüente demanda de modernização dos sistemas de sinalização. Essa necessidade levou à especificação de um padrão internacional de sinalização, que visa prover uma moderna rede digital de controle e transporte de dados, conhecido como Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7, ou simplesmente SS7. Este trabalho apresenta o estudo e a implementação do SS7 e seus protocolos aplicados à arquitetura de hardware e software da Central Telefônica ELCOM da Batik Equipamentos S/A. A principal contribuição prática deste projeto é a implementação inicial do elemento estrutural fundamental do SS7 o Subsistema de Transferência de Mensagens - MTP na Central ELCOM, além da subseqüente implementação da evolução para um MTP descentralizado, dentro da arquitetura de processamento distribuído da Central. O trabalho está no âmbito do convênio de pesquisa e desenvolvimento firmado entre o Departamento de Ciência da Computação da UFMG e a Batik Equipamentos S/A, empresa de desenvolvimento de soluções na área de telecomunicações, sediada em Belo Horizonte, MG. A implementação é parte da efetiva implantação geral do Sistema SS7 na central telefônica digital ELCOM desenvolvida pela Batik, envolvendo a equipe de desenvolvimento da empresa e outros pesquisadores do DCC/UFMG. 1.1 Motivação e objetivos A rápida evolução tecnológica nos campos da informática e telecomunicações permitiu que acontecesse uma verdadeira revolução nas aplicações telefônicas. De um lado, há o avanço na tecnologia e a aplicação da computação em rede e do processamento distribuído. De outro, tem-se a crescente utilização de sistemas computacionais (hardware e software) controlando todo tipo de funções nas modernas centrais telefônicas, somada ao advento da digitalização dos sinais, bem como do áudio e da voz transportados através das centrais telefônicas. Estes fatores trazem cada

8 vez mais possibilidades para as aplicações telefônicas, promovendo uma demanda por novas facilidades e serviços. Tal expansão de aplicações de telecomunicações tem levado à necessidade de criação de uma rede de transporte de dados aplicável a vários tipos de informação indistintamente. Esta rede, atualmente, está se sobrepondo à rede de telefonia convencional com vantagens técnicas e econômicas. A infra-estrutura de comando e controle das modernas redes de telecomunicações consiste no que se denomina sistema de sinalização. A evolução das aplicações e da tecnologia envolvidos na sinalização de telecomunicações levaram ao surgimento de um nova estrutura de sinalização, muito mais poderosa, que suporte as crescentes necessidades para a sinalização e novas aplicações futuras. Na base do funcionamento desta nova estrutura, está uma rede digital comutada por pacotes, que realiza o controle e transmissão de dados, conhecida como Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7 (SSCC7 ou SS7, ou em inglês, Signaling System #7), especificado e padronizado mundialmente pela União Internacional de Telecomunicações (International Telecommunication Union - ITU) [ITU93], organismo mundial com representações governamentais de países vinculados ao tratado das Nações Unidas. O SS7 provê uma rede de dados de alto desempenho que transporta, entre outras informações, a sinalização telefônica. A rede de sinalização por canal comum SS7 vem viabilizar novas aplicações, como a Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI), bem como trazer inovações a aplicações existentes, como a telefonia celular. O domínio da tecnologia de sinalização por canal comum torna-se assim um fator estratégico para se garantir a presença e longevidade no estado da arte das telecomunicações mundiais. No Brasil, A Batik Equipamentos S.A. produz a central telefônica ELCOM [Batik97a], uma central digital com tecnologia desenvolvida pela própria Batik. Por ocasião do surgimento do projeto de implantação da sinalização por canal comum nº 7 na Central ELCOM Batik, foi firmado convênio de pesquisa e desenvolvimento entre a Batik e o Departamento de Ciência da Computação da UFMG, no final de O presente trabalho teve então início em conjunto com a equipe da Batik e em paralelo com o trabalho de mestrado de Welter L. Silva, também do DCC/UFMG. O projeto representa um grande desafio de domínio de tecnologias, demandando um estudo detalhado e abrangente, pois a implantação do SS7 na Central ELCOM representa o envolvimento e a integração de três grandes elementos: A Central telefônica ELCOM, que apresenta uma sofisticada arquitetura de hardware e software proprietária da Batik, consistindo em um sistema de computação digital em ambiente de processamento distribuído. A aplicação telefônica, executada pela Central ELCOM, que consiste em um amplo e complexo sistema de tempo-real com estreitos requisitos de confiabilidade, disponibilidade e tolerância a falhas. O Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7, que é a especificação de um sistema para rede de dados digital voltada para sinalização, baseado em diversos protocolos e subsistemas componentes dentro de uma estrutura em camadas funcionais. 2

9 Os objetivos deste trabalho são: o estudo e documentação técnica destes três grandes elementos de tecnologia; a proposta e a implementação de um MTP descentralizado na Central Batik ELCOM. A relevância deste trabalho está na assimilação, divulgação e disseminação de diversas tecnologias no estado da arte das telecomunicações digitais e do processamento computacional distribuído em tempo-real, que por sua abrangência e complexidade representam ao mesmo tempo um grande desafio e uma grande gama de possibilidades em pesquisa e desenvolvimento científicos em diversas áreas da computação, com grande caráter prático de aplicação Convênio Batik / DCC: Trabalhos relacionados Este trabalho é decorrente de projeto iniciado junto com a equipe de desenvolvimento da Batik, contando também como outros estudantes de mestrado e bacharelado, bem como professores do Departamento de Ciência da Computação da UFMG, ligados ao Laboratório de Engenharia de Computadores - LECOM. O trabalho de mestrado desenvolvido por Welter Luigi Silva [Silva98] no DCC/UFMG também integrou o projeto de implementação do MTP na Central ELCOM Batik. Seu trabalho de dissertação apresenta o estudo e a implementação de um mecanismo de redundância do MTP na Central ELCOM. Outro trabalho de mestrado relacionado é o de Marcelo de Resende P. Miranda [Mira98], envolvido na implementação de subsistemas usuários de aplicação telefônica baseados em SS7, TUP e ISUP, na Central ELCOM. Seu trabalho de dissertação apresenta uma visão abrangente de sinalização telefônica e destaca a implementação do ISUP, que é o Subsistema de aplicação RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados). Ainda dentro da abrangência do Convênio, podem ser citados os seguintes projetos, entre outros: Projetos relacionados ao Centro de Supervisão Remota (CSR) da Central ELCOM, sistema com interface em Microsoft Windows que provê supervisão e controle da Central ELCOM através de um computador conectado direta ou remotamente à Central. Incorporação da interface de gerenciamento de rede TMN - Telecommunications Management Network, especificada pela ITU. Projetos sobre a implementação de incorporação de interfaces da Central ELCOM com sistemas operacionais e protocolos abertos ou comerciais (não proprietários), como os sistemas QNX e Unix e o protocolo de rede TCP/IP. Projetos relacionados a centrais de comutação privada (PABX) da Batik. 1.3 Fundamentos de telefonia Antes de se chegar à Sinalização por Canal Comum nº 7, é importante que sejam introduzidos e formalizados alguns conceitos fundamentais da telefonia e de sinalização telefônica.

10 4 Dentro das telecomunicações compreendendo a transmissão de informações com o uso de sinais eletricamente processados, a telefonia abrange a transmissão à distância de voz e sons [Ferr91]. O princípio operacional da transmissão telefônica surgiu com a invenção do telefone em 1876, por Alexander Grahan Bell. O telefone, como o conhecemos, é o aparelho de conversação que está ligado ao mundo exterior por um par de fios. Através dele é possível estabelecer uma conexão ou chamada telefônica bidirecional com outro interlocutor, conforme ilustrado na Figura 1.1(a). O telefone é o tipo mais comum de terminal telefônico. Considere-se então o fato que existem diversos usuários participantes no sistema, os quais denominam-se assinantes, cada um possuidor de um terminal telefônico ou terminal de assinante. É necessário definir uma forma de conexão entre eles, de maneira que um assinante possa estabelecer uma chamada com qualquer um dos outros. Uma abordagem óbvia seria prover linhas de conexão direta de cada ponto com todos os outros no sistema, como na Figura 1.1(b). Esta estrutura, denominada malha completa ou malha completamente conectada, é inviável, pois: exige uma grande extensão de linhas, em proporção quadrática ao número de assinantes, representando um crescimento muito rápido à medida que o número de assinantes no sistema aumenta; para n assinantes, o número de linhas necessárias seria = n (n 1) / 2; a inserção de um novo assinante é difícil, pois este deverá ser ligado a todos os outros já existentes; deixa grande parte das linhas ociosa, considerando que cada assinante geralmente faz ligações a intervalos aleatórios, para assinantes variados, e estabelece conexão com apenas um outro assinante por vez. A (a) B Central telefônica (b) Figura 1.1: Linhas telefônicas e Central telefônica (c) Assim, uma estrutura de conexão em estrela, ilustrada na Figura 1.1(c), se mostra bem mais adequada. Para n assinantes, são necessárias apenas n linhas. Contudo, surge a necessidade de um elemento de controle no centro desta estrutura, responsável por estabelecer e gerenciar a conexão entre cada dois pontos que o desejem. Este elemento é a central telefônica.

11 5 A operação de estabelecimento de interligações entre assinantes é chamada comutação. Por isto, as centrais telefônicas são também denominadas centrais comutadoras. As centrais telefônicas eram inicialmente manuais (via telefonista), passaram a mecânicas e eletro-mecânicas, até evoluírem para a comutação digital. Uma rede telefônica pode ser considerada como um conjunto de terminais de assinantes, centrais telefônicas e de interconexões por meios de transmissão telefônica, dispostos de forma que cada assinante possa se conectar a qualquer outro dentro da rede. Existem dois tipos de interconexão telefônica: o canal entre um assinante e a central telefônica que o serve, denominada linha de assinante, loop, ou simplesmente linha; as linhas telefônicas conectando uma central telefônica a outra, denominadas troncos, ou ainda linhas de junções 1. Historicamente, desta estrutura derivam as duas principais áreas da engenharia de telecomunicações [Free96]: a transmissão, que trata do transporte dos sinais nas interconexões, e a comutação, relativa basicamente à tarefa das centrais telefônicas de estabelecimento do caminho entre dois assinantes. Atualmente, porém, cada vez mais estas duas áreas estão se integrando e tornando-se indistintas. Uma síntese dos conceitos preliminares aqui apresentados é ilustrada na Figura 1.2 a seguir. Terminal de Assinante Central telefônica Tronco Linha Rede Telefônica Figura 1.2: Conceitos sobre redes telefônicas 1.4 Sinalização telefônica Dentro da rede telefônica, existem informações que precisam ser trocadas entre o assinante e a central, bem como entre as centrais. São informações necessárias para o estabelecimento de chamadas telefônicas, controle de tarifação, supervisão, gerenciamento de rede, mecanismos de funcionamento e gerência do sistema telefônico em geral. Os protocolos utilizados para esta troca de informações são conhecidos como sistemas de sinalização telefônica. 1 Os terminais responsáveis pela conexão de troncos na central telefônica são chamados juntores. Assim, eventualmente a referência a um juntor é informalmente utilizada em alusão ao próprio tronco em si. Em inglês, as linhas entre centrais são denominadas trunks nos EUA e junctions na Europa.

12 Os primeiros sistemas de sinalização utilizados nas centrais automatizadas se basearam na codificação de informações bastante simples em sinais (pulsos) elétricos sinalização E&M ou, posteriormente, em combinações de tons audíveis sinalização MFC, transportados pelo próprio canal de voz, ou seja, pelo mesmo caminho da conversação. Para uma melhor compreensão da abrangência e papel da sinalização telefônica, a seguir são apresentados os quatro grupos de sinais em que se divide a sinalização telefônica convencional: Sinalização de Assinante: sinais que o assinante usa para informar à central a qual está conectado de sua intenção de iniciar ou finalizar uma ligação com outro assinante. Basicamente, compreende os sinais gerados pelo terminal telefônico (telefone), como fone fora do gancho, fone no gancho e os dígitos discados identificando o assinante desejado. Sinalização Acústica: sinais audíveis emitidos da central para o assinante, referentes ao estado da conexão [Tele87a]. Consiste na corrente de toque de chamada de telefone e tons de: discar, controle de chamada, ocupado, número inacessível. Sinalização de Registro: se estabelece entre os órgãos de controle ou registradores das centrais na fase que antecede o estabelecimento da chamada (conexão), para troca de informações relacionadas aos assinantes chamador e chamado, como identificação e categoria do assinante [Tele96a] [Tele96b]. Esta é uma sinalização em geral estabelecida da central de origem, repetida em seqüência para cada central incluída no final do caminho, até o destino. A sinalização de registro mais comum é a MFC (multi-freqüencial compelida). Sinalização de Linha: estabelece a comunicação entre as centrais nas linhas de junções, agindo durante toda a conexão [Tele96c]. Feita entre centrais adjacentes, é responsável pela ocupação e desconexão do circuito de canais de voz estabelecido na chamada, envolvendo sinais como: ocupação, atendimento, tarifação, desligar. As sinalizações de Assinante e Acústica são, respectivamente, sinais do assinante para a central e da central para o assinante. Já as sinalizações de Registro e Linha compreendem a troca de sinais entre centrais telefônicas. A Figura 1.3 ilustra os tipos de sinalização apresentados. 6 Ass. A Central 1 Central 2 Central 3 Ass. B Sinalização de Assinante Sinalização Acústica Sinalização Registrador Sinalização de Registrador Sinalização de Linha Sinalização de Linha Sinalização Acústica Sinalização Acústica Figura 1.3: Tipos de sinais na sinalização telefônica convencional

13 A característica fundamental destas sinalizações é a troca de informações pelo mesmo canal associado para a transmissão da voz. Por isto denominamos estes sistemas como sinalização por canal associado. A Figura 1.4(a) ilustra este aspecto, na sinalização entre centrais. Os sistemas de sinalização por canal associado ocupam canais de voz desde o momento em que o originador inicia a discagem mesmo que a chamada efetiva não chegue a ser estabelecida e são muito limitados quanto à diversidade de informação que podem representar. 7 Voz e Sinalização Voz Sinalização SS7 Central Ponto de sinalização SS7 (a) (b) Figura 1.4: Sinalização (a) Sinalização por canal associado entre centrais telefônicas (b) Sinalização por canal comum nº 7 Com o surgimento de troncos digitais, utilizando os chamados enlaces PCM (Pulse Code Modulation) feixes de canais digitais de transmissão; tipicamente 32 canais a 64 Kbps cada, totalizando 2 Mbps, surgiu um formato rudimentar de sinalização digital para Sinalização de Linha (chamado sinalização R2 digital), onde um dos canais do enlace é utilizado para a transmissão de bits de sinalização. Apesar de digital, este formato de sinalização ainda é bem específico, limitado e também está associado aos canais de voz do enlace. Segundo Modarressi e Skoog [MA&SR90], no contexto das modernas telecomunicações, sinalização pode ser definida como o sistema que permite a centrais de comutação, bancos de dados de rede e outros nodos inteligentes da rede trocarem mensagens relacionadas a controle, supervisão, informação para processamento de aplicações distribuídas e gerenciamento de rede. 1.5 Sistema de sinalização por canal comum nº 7: SS7 A idéia do Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7 [MA&SR90] [Black97] [Russ95], especificado e padronizado mundialmente pelo ITU-TSS (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector) [ITU93], é fazer com que as informações de sinalização e controle nas redes de telecomunicações transitem através de uma rede de dados própria, de alto desempenho. Diferente da sinalização telefônica convencional, implementada utilizando os próprios canais de voz para transportar informações na forma de tons e pulsos elétricos rudimentares, o SS7 introduz uma sinalização digital em uma estrutura de rede independente, onde diversas informações podem ser empacotadas e transportadas por um mesmo canal comum. A rede do SS7 vem se sobrepor e inter-relacionar com a rede de telecomunicações existente. A Figura 1.4(b) mostra uma configuração possível baseada na sinalização por canal comum.

14 É importante ressaltar que a rede SS7 é uma rede de transporte de dados genérica. O SS7 significa sobretudo um novo nível de abstração dentro das redes de telecomunicações, provendo suporte a uma infinidade de novas aplicações sobre esta rede, onde a sinalização telefônica representa apenas uma parcela deste grande universo de possibilidades de aplicação. As Recomendações da ITU que especificam o SS7 compõem a série Q.700. Embora a referência bibliográfica incluída neste trabalho [ITU93] seja para o conjunto de recomendações da série Q.700 que abrange os componentes básicos do SS7, o Apêndice A enumera as normas aplicáveis de telecomunicações, detalhando tanto as recomendações internacionais da ITU quanto as práticas brasileiras da Telebrás, relacionadas ao presente trabalho. 8

15 9 Capítulo 2 Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7 SS7 Na rede de sinalização por canal comum, várias informações distintas podem ser empacotadas e então transportadas por um único canal comum. O SS7 compreende uma rede de sinalização por canal comum, comutada por pacotes. O conceito e implementação da rede de sinalização por canal comum evoluíram a partir do antigo Sistema de Sinalização nº 6 do CCITT (SS6), surgido na década de A estrutura de protocolos do SS6 era monolítica (não divididas em camadas), mas introduziu a sinalização por canal um comum, onde mensagens de vários troncos eram associadas a um único canal de sinalização, e permitiu mensagens de sinalização direta onde centrais telefônicas podiam consultar bases de dados centralizadas da rede para o processamento de chamadas. Os serviços 800 (discagem gratuita) e de cartões de pagamento de chamadas foram os primeiros serviços a utilizar esta nova arquitetura nos Estados Unidos. Por outro lado, o Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7, cujas primeiras especificações foram publicadas pela ITU em 1980 e 1984, define uma série de protocolos, dentro de estruturas de rede em camadas ou níveis funcionais conforme é visto adiante neste capítulo à luz de conceitos mais modernos de transporte de dados introduzidos a partir dos anos 80. O SS7 está em constante evolução, sendo definidos ajustes para melhor adequação em sua utilização. As informações deste trabalho sobre SS7 se baseiam principalmente nas especificações e publicações periódicas da ITU em 1992 ( livro branco, com revisão em 1993) e 1988 ( livro azul ). A sinalização telefônica entre centrais é realizada, neste sistema, por subsistemas usuários da estrutura da rede SS7 específicas para a aplicação telefônica. Os dois componentes atualmente utilizados para estabelecimento de chamadas telefônicas através de sinalização SS7 são o TUP (Telephone User Part) [Tele87b] [ITU93b] e o ISUP (ISDN User Part) [Tele96d] [ITU93c], sendo o ISUP uma aplicação mais sofisticada. Além de tornar mais eficiente a aplicação telefônica, a sinalização por canal comum SS7 permite novas facilidades e é aberta a novas aplicações, tais como sinalização da RDSI - Rede Digital de Serviços Integrados (ou, do termo em inglês, ISDN) [ITU88] [KG&PS97]

16 [KT&MM90], controle de aplicações de telefonia celular, suporte à Rede Inteligente (RI) e outras. Antes de serem abordados os conceitos e protocolos do sistema de sinalização SS7, são apresentadas a seguir considerações gerais sobre as vantagens e viabilidade da implantação do sistema, bem como uma análise de revisão bibliográfica sobre o assunto Considerações sobre o SS7 na telefonia A utilização do SS7 na sinalização telefônica apresenta pelo menos duas grandes vantagens: Racionalização dos recursos nas redes telefônicas atuais, aumentando o potencial da rede existente, sobre os mesmos canais de transmissão de voz. Separando-se em uma rede própria os circuitos de sinalização, os canais de voz podem permanecer livres enquanto efetivamente não se iniciar uma nova chamada (conexão) ao usuário distante, aumentando a taxa de disponibilidade de canais de voz sem a instalação de canais de transmissão adicionais. Possibilidade de acesso a recursos centralizados, independentes das próprias centrais telefônicas e eventualmente baseados em software, possibilitando uma rápida atualização e expansão dos serviços oferecidos sem depender de implementações proprietárias dos fabricantes de cada central instalada. O SS7 significa sobretudo um novo nível de abstração dentro das redes de telecomunicações, provendo suporte a uma infinidade de novas aplicações sobre esta rede, onde a sinalização telefônica representa apenas uma parcela deste grande universo de aplicações. A implantação do SS7 nas centrais telefônicas é também bastante viável. As modernas centrais telefônicas digitais CPA (Controle por Programa Armazenado) em geral já possuem toda sua estrutura de comutação controlada por computadores ou dispositivos digitais. Assim, fica facilitada a integração de SS7, pois este também constitui um sistema digital e pode ser implementado como novo(s) componente(s) na estrutura existente de hardware e software da central. Além de centrais telefônicas com suporte a SS7, podem ser utilizados elementos ou equipamentos isolados especificamente dedicados à rede SS7, ou seja, componentes nodos exclusivos da rede de sinalização SS7, uma vez que a rede de sinalização por canal comum é independente da rede telefônica e seus canais de voz. 2.2 Áreas de pesquisa sobre SS7 Análises desenvolvidas desde o início dos anos 90, incrementadas pelas novas questões e problemas naturalmente introduzidas com o surgimento do novo sistema de sinalização por canal comum, revelaram uma complexidade de problemas envolvendo processamento distribuído, confiabilidade de software e hardware, prevenção de situações críticas e recuperação de falhas, projeto de topologia, engenharia de rede.

17 Podem ser identificadas duas áreas básicas de estudo, pesquisa e projeto relacionadas ao SS7, a saber: Implementação, análise e aperfeiçoamento de protocolos do sistema de sinalização. Tratam portanto do ponto de vista estrutural ou microscópico do sistema de sinalização SS7. Planejamento, dimensionamento, implantação, configuração, otimização e avaliação da rede de sinalização, isto é, referentes à efetiva aplicação do sistema SS7 constituindo a rede de sinalização por canal comum. São pesquisas no domínio macroscópico do SS7. 11 Rede de sinalização Protocolos Figura 2.1: Áreas de Pesquisa macroscópica e microscópica do SS7 A partir de uma revisão bibliográfica, constatou-se que são encontradas relativamente poucas publicações de pesquisa sobre os protocolos de sinalização. Isto pode ser explicado por uma série de fatores. A implementação dos protocolos da rede de sinalização por canal comum está quase totalmente concentrada em projetos comerciais de fabricantes de hardware e software na área de telecomunicações. Na área comercial, freqüentemente não há interesse ou preocupação na divulgação acadêmica destes projetos, que podem até ser propositadamente mantidos longe do conhecimento público quando considerados projetos tecnologicamente e comercialmente estratégicos, isto é, segredo industrial. Além disso, existem as recomendações da União Internacional de Telecomunicações (ITU) que definem e especificam quase todos os detalhes dos componentes e aspectos que envolvem o SS7, resultado do trabalho de um grande grupo de engenheiros, cientistas, pesquisadores em todo o mundo que compõem a equipe da ITU responsável pela elaboração destas recomendações. Finalmente, as empresas e entidades que necessitam ou decidem incorporar a tecnologia do Sistema de Sinalização por Canal Comum nº 7 a suas aplicações, em face à competitividade, dinamismo e complexidade do mercado e indústria de telecomunicações, freqüentemente acabam por adotar soluções prontas comercialmente disponíveis, ao invés de recorrer à pesquisa. Os trabalhos de pesquisa publicados referentes aos protocolos e aspectos estruturais do SS7 em geral tratam de análises de parâmetros que são deixados em aberto nas recomendações da ITU, onde medições e comparações em simulações ou situações práticas podem levar a resultados que contribuam para maior adequação e ajuste do sistema. Estes parâmetros abertos a ajustes são

18 principalmente com relação a monitoramento, medição e controle de situações críticas, de erro ou sobrecarga. Como trabalhos sobre protocolos do SS7, podem ser citados artigos sobre: algoritmos de monitoramento de erros de enlace no protocolo SS7 [RV&WJ93], mecanismos de descarte de mensagens sob sobrecarga de tráfego no roteamento da rede [Rums93], controle de congestionamento em situações de ocorrência massiva de chamadas telefônicas [RM&SD95]. Trabalhos no nível da rede SS7 envolvem estudos sobre engenharia de redes, planejamento dimensionamento e otimização, estudos de rotas de encaminhamento na rede, entre outros. Foram encontrados dois trabalhos de mestrado em outras universidades brasileiras, sobre dimensionamento de redes SS7: um na UNICAMP [Oliv98] e outro na UFES [Soar94]. Há também uma importante coletânea de artigos no Journal on Selected Areas in Communications (JSAC), publicação em áreas sobre telecomunicações do IEEE [JSAC94]. No contexto da pesquisa geral sobre SS7, os projetos resultantes do convênio entre a Batik Equipamentos e o DCC/UFMG representam portanto uma importante contribuição para a realização de trabalhos acadêmicos mais relacionados à parte estrutural do Sistema de Sinalização por Canal Comum nº Protocolos da rede SS7 Os protocolos do SS7 são organizados em níveis funcionais, de maneira análoga às camadas do Modelo de Referência OSI (Open Systems Interconnections) para transporte de dados em redes de computadores [Tane97], publicado pela ISO (International Standards Organization). Modelo OSI Níveis do Sistema de Sinalização nº 7 Usuários do SS7 Aplicação Usuário TC TCAP Apresentação Sessão Transporte ISUP TUP Rede Enlace Físico SCCP MTP Nível 3 MTP Nível 2 MTP Nível 1 Figura 2.2: Camadas do SS7 e comparação com o Modelo OSI São 4 os níveis no SS7. Os três níveis de menor hierarquia compõem o Subsistema de Transferência de Mensagens (Message Transfer Part - MTP) e correspondem, em essência, aos três primeiros níveis do modelo OSI. No nível 4 do SS7 que corresponde à camada de Aplicação

19 do modelo OSI podemos ter vários subsistemas de usuário (User Parts), como o Telephone User Part (TUP) e o ISDN User Part (ISUP). Para suportar outras aplicações na rede, dois componentes foram criados no SS7: o Signaling Connection Control Part (SCCP), que complementa os serviços do MTP para torná-lo funcionalmente equivalente ao nível de rede do modelo OSI, e o Transaction Capabilities Application Part (TCAP), que fornece um conjunto de protocolos e funções usados por aplicações distribuídas na rede para que essas possam se comunicar. Não existe uma correspondência para os níveis de Apresentação, Sessão e Transporte do Modelo de Referência ISO/OSI nas camadas do SS7. A relação entre os níveis do SS7 e o Modelo OSI é ilustrada na Figura Fundamentos da rede SS7 Uma rede de telecomunicações servida por uma sinalização por canal comum é composta por um número de nodos de processamento e comutação, interconectados por enlaces (vias) de transmissão. Todo nodo na rede SS7 é chamado genericamente de Ponto de Sinalização - PS (Signaling Point - SP). Todo ponto de sinalização tem a capacidade de realizar a discriminação de mensagens (ler o endereço e determinar se a mensagem é para este nodo), provendo as funções essenciais do MTP. Os pontos de sinalização são classificados de acordo com sua função e recursos na rede de sinalização. Os principais tipos são: PAS - Ponto de Acesso a Serviços (SSP - Service Switching Point): designação para um PS que provê acesso local à rede de sinalização, implementando a camada TCAP (Transaction Capability) para suporte a aplicações distribuídas de transação na rede. PTS - Ponto de Transferência de Sinalização (STP - Signaling Transfer Point): ponto de sinalização com função de transferência, isto é, capaz de ser um PS intermediário (nem a origem nem o destino final da mensagem), podendo receber uma mensagem vinda de outro PS e passá-la adiante pela rota apropriada rumo ao destino final. PCS - Ponto de Controle de Serviços (SCP - Service Control Point), responsável pelo acesso a bases de dados da rede. Utilizado geralmente como interface entre outro PS e um SGBD (Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados), para o acesso a informações de números de serviços 800/900, cartões de chamada, informações de área de serviço em redes celulares, nas redes inteligentes (RI) e Advanced Intelligent Networks (AIN). Além disso, temos o SGS - Sistema de Gerenciamento de Serviços (SMS - Service Management System), que provê uma interface humana à base de dados e a capacidade de atualizá-la quando necessário. Todo ponto de sinalização em uma rede SS7 é identificado por um código de endereçamento único, conhecido como point code 1. 1 A terminologia e acrônimos introduzidos no presente trabalho são apresentados, preferivelmente, em português. Contudo, alguns termos apresentados nas normas internacionais que padronizam o SS7 não têm uma correspondência adequada ou de uso freqüente em português e são assim mantidos em inglês.

20 A sinalização por canal comum usa vias bidirecionais de sinalização que transportam mensagens entre dois pontos de sinalização, denominados enlaces de sinalização (signaling links). Dois pontos de sinalização (PS) SS7 são ditos adjacentes se são diretamente interconectados por um enlace. É importante destacar que se usa o termo enlace de sinalização ou apenas enlace para designar a conexão entre dois pontos de sinalização a nível funcional (lógico) e o termo enlace de dados de sinalização para se referir à conexão física por onde passa o enlace. Os enlaces são dispostos em conjuntos que interconectam diretamente os mesmos dois PS, chamados conjuntos de enlace (linksets, em inglês). Pode haver até 16 enlaces associados a um só conjunto de enlaces. Embora tipicamente um conjunto de enlaces inclua todos os enlaces paralelos (enlaces entre os mesmos dois PS), é possível haver mais de um conjunto de enlaces entre dois PS. Um grupo de enlaces dentro de um mesmo conjunto de enlaces que têm características idênticas é chamado grupo de enlaces. Além de linksets, um PS (ponto de sinalização) deve definir rotas. Rota é uma seqüência de linksets usada para atingir um certo destino. Um linkset pode pertencer a mais de uma rota. Uma coleção de rotas é chamada conjunto de rotas (routeset, em inglês) e um conjunto de rotas é associado a um só destino, permitindo que exista mais de uma rota para o destino de forma que, caso uma rota principal fique indisponível, haja uma rota alternativa. Um destino é um endereço presente na tabela de roteamento de um PS. Destinos não precisam ser diretamente adjacentes ao PS, mas devem ser um código de endereçamento (point code) de um PS que pode ser atingido a partir deste. O PS não precisa conhecer todos os point codes entre ele e o destino, apenas seu próprio conjunto de enlaces que levará ao destino. Para quaisquer dois pontos de sinalização para os quais há possibilidade de comunicação entre seus subsistemas usuários, diz-se que há uma relação de sinalização entre eles. O modo de sinalização refere-se à associação entre o caminho tomado por uma mensagem de sinalização e a relação de sinalização a qual a mensagem se refere. Existem dois modos de sinalização possíveis em uma rede SS7: Associado: a mensagem referente a uma relação de sinalização em particular ente dois pontos adjacentes é transportada por um conjunto de enlaces que interconecta diretamente estes dois pontos, como mostrado na Figura 2.3(a). Quase-associado: a mensagem de uma certa relação de sinalização é levada por dois ou mais conjuntos de enlace em seqüência, passando por um ou mais PS intermediários (o que caracteriza modo não-associado), mas há uma limitação: o caminho percorrido por uma mensagem na rede de sinalização é predeterminado e, numa determinada configuração, fixo. Um exemplo de modo quase-associado é ilustrado na Figura 2.3(b). 14

21 15 Voz Sinalização SS7 Associada SSP STP Quase-Associada Figura 2.3: Exemplos de associação entre a sinalização e os canais de voz O modo totalmente não-associado não é previsto para redes SS7, uma vez que os protocolos não incluem recursos para evitar chegada de mensagens fora de seqüência ou outros problemas que tipicamente surgem em um modo de sinalização não associado com roteamento de mensagens dinâmico.

22 16 Capítulo 3 Subsistema de Transferência de Mensagens MTP O Subsistema de Transferência de Mensagens (Message Transfer Part - MTP) é o protocolo de transporte usado pelos outros protocolos de nível acima no SS7. O MTP provê às demais camadas do SS7 os seguintes serviços: transmissão de dados nodo a nodo; detecção e correção de erros de transmissão; seqüenciamento de mensagens; roteamento de mensagens; discriminação de mensagens; funções de distribuição de mensagens. O MTP é subdividido em três camadas: níveis 1, 2 e 3, que correspondem de maneira geral aos níveis físico, enlace e rede do Modelo OSI, respectivamente. O nível 1 compreende a transmissão física, o nível 2 visa garantir a confiabilidade da transmissão no enlace que conecta 2 nodos adjacentes e o nível 3, por sua vez, visa basicamente garantir a confiabilidade do caminho de transmissão das mensagens até seu destino. 3.1 Nível físico MTP1 O nível físico do MTP (MTP1) é o responsável pela conversão de dados digitais na forma de uma seqüência de bits em sinais apropriados, e vice-versa, para transmissão através do meio físico da rede. O padrão SS7 não especifica qualquer interface, meio ou taxa de transmissão de dados para esse fim. Desta forma, estes parâmetros ficam determinados principalmente pelo requerimento de custo desempenho da rede sobre a qual o sistema será implantado.

23 MTP2 O MTP nível 2 (MTP2) é o elemento intermediário entre a seqüência de bits que é transmitida pelo Nível 1 e a informação lógica estruturada em mensagens, compostas por campos com um significado ou conteúdo. As mensagens no SS7 são formalmente denominadas unidades de sinal (SU, do termo em inglês signal unit). O MTP2 provê a estruturação de mensagens, detecção e correção de erros e seqüenciamento de todos os pacotes de mensagens do SS7, garantindo uma transferência confiável de unidades de sinalização no enlace entre dois pontos de sinalização diretamente conectados. Assim como no modelo OSI, este nível é responsável apenas pela transmissão e recepção de dados entre dois nodos adjacentes na rede. Este nível não tem conhecimento do destino final da mensagem Unidade de sinal - SU As unidades de sinal são as mensagens do SS7, compostas pelos dados ou informação efetiva de sinalização, mais campos de controle necessários para o seqüenciamento e confiabilidade da transmissão. Existem três tipos de unidade de sinalização, ilustrados na Figura 3.1. São eles: MSU - Message Signal Unit: unidade que contém efetiva mensagem ou informação de sinalização, trocada entre componentes de nível superior (MTP3), contida em um campo de tamanho variável (2 a 272 octetos) denominado Signaling Information Field - SIF. LSSU - Link Status Signal Unit: unidade de sinal utilizada pelo nível 2 (MTP2) para informar sobre estados de funcionamento do enlace de sinalização, no campo denominado Status Field - SF. O SF pode ter comprimento de 1 ou 2 octetos. FISU - Fill-In Signal Unit: mensagem básica de preenchimento, contém apenas os campos de controle e é enviada periodicamente pelo MTP2 quando não há nem MSU nem LSSU para serem enviadas, servindo apenas para manter o enlace em serviço. (a) F CK SIF SIO LI F I B FSN B I B BSN F MSU (b) F CK SF LI F I B FSN B I B BSN F LSSU (c) F CK LI F I B FSN B I B BSN F FISU checksum ind. de tamanho numeração sequencial flag 1º bit Figura 3.1: Unidades de sinal - SU (a) Message Signal Unit - MSU (b) Link Status Signal Unit - LSSU (c) Fill-In Signal Unit - FISU

24 Toda SU possui campos de controle comuns, descritos a seguir. O número de bits de cada campo está indicado entre parêntesis: Delimitador: F - Flag (8). Octeto com um padrão único de bits que identifica o início e o fim de cada unidade de sinal. Normalmente, o delimitador de fim de uma SU pode representar também o delimitador de início da SU seguinte. O valor do flag é Numeração seqüencial: BSN - Backward sequence number (7), BIB - Backward indicator bit (1), FSN - Forward sequence number (7), FIB - Forward indicator bit (1). Numeração para frente, correspondendo ao número de seqüência da mensagem sendo enviada; e numeração para trás, correspondendo ao número de seqüência de uma mensagem confirmada ou reconhecida (acknowledge). Os bits indicadores são usados em conjunto com a numeração no processo de controle de erros. Indicador de tamanho: LI - Length indicator (6). Campo básico mais importante, identifica o tipo de mensagem, de acordo com seu valor. LI = 0 para FISU, LI = 1 ou 2 (conforme o número de octetos do SF) para LSSU, LI > 2 para MSU. Este campo em geral corresponde ao tamanho em octetos da informação efetiva, compreendida entre o LI/espaço e o CK. Isto não é válido, contudo, para MSU com mais de 63 octetos de dados, pois com os 6 bits do LI só é possível representar até o valor 63. Espaço vazio: Spare bits (2). Código de verificação: CK - Checksum (16). Código de verificação para detecção de erros, consiste em um código CRC de 16 bits. Além disso, existem os campos específicos que armazenam informação: Em uma MSU: SIO - Service information octet (8), que contém informações de indicação de serviço e subserviço, utilizadas pelo MTP3; e SIF - Signaling information field (2 a 272 octetos [ 8 bits]), que transporta informação de sinalização do MTP3 (nível 3) e dos subsistemas usuários (nível 4). Em uma LSSU: SF - Status field (8 ou 16). Indicador de estado do enlace. 18 Uma MSU é retransmitida em caso de erro, mas LSSUs e FISUs não são. Uma FISU não contém nenhuma informação efetiva; já a informação de uma LSSU é basicamente notificação de controle, sendo gerada novamente dentro do processo de controle do enlace quando oportuno Funções do MTP2 Alinhamento inicial O alinhamento inicial compreende os procedimentos necessários para a inicialização de um enlace (assim que ele é ligado ), bem como para o restabelecimento do funcionamento normal na recuperação de um enlace em falha. O procedimento para que um enlace entre em modo normal de operação envolve a correta recepção de uma seqüência de indicadores entre os dois extremos adjacentes do enlace e um certo

25 tempo correspondente a um período de prova no qual o enlace deve manter a transmissão com sucesso. Delimitação e alinhamento de unidades de sinal A delimitação envolve a identificação do início e fim das mensagens, através de um flag delimitador, um padrão único e exclusivo de 8 bits: A unicidade do flag, isto é, a garantia de que o padrão não ocorre dentro da própria mensagem, é feito por um processo de inserção e posterior remoção de um bit zero ( 0 ) extra toda vez que ocorrer uma seqüência de 5 bits 1 consecutivos na mensagem. Uma seqüência de 6 bits 1 ( ) só é encontrada no flag, é quando uma seqüência de mais de 6 bits 1 é detectada na recepção de unidades de sinal, fica caracterizado erro e a conseqüente perda de alinhamento. Detecção e correção de erros em unidades de sinal recebidas A detecção de erros em cada SU recebida é feita através da conferência entre o valor obtido para o código de verificação que é aplicado à SU recebida e o campo de verificação (CK) desta, bem como pela consistência dos valores dos bits indicadores da numeração seqüencial (BIB e FIB). Quando erros são detectados pelo extremo receptor, o extremo emissor recebe notificação de reconhecimento negativo da SU. Para o tratamento de correção de erros, existem dois métodos definidos: Método básico: utilizado para meios de transmissão (enlaces de dados) terrestres não intercontinentais, bem como para enlaces intercontinentais com atraso de propagação menor que 15 ms. Método de retransmissão cíclica preventiva: utilizado em enlaces intercontinentais com grande atraso de propagação (maior que 15 ms.) e para todo enlace via satélite (que em geral é um meio de transmissão com grande atraso, da mesma maneira). Monitoramento de erros Além de detectar e tratar erros, o MTP2 ainda monitora os erros, utilizando funções para medir a taxa de erros, de forma a determinar quando o enlace de sinalização ativo precisa ser colocado fora de serviço, e quando um enlace inativo está alinhado para ser colocado em serviço. As duas funções de monitoramento de erros do MTP2 são: Signal Unit Error Monitor (SUERM): em um enlace em serviço, esta função provê um critério para colocar o enlace fora de serviço por excesso de erros; Alignment Error Rate Monitor (AERM): durante o período de prova de alinhamento inicial do enlace de sinalização, esta função indica se a taxa de erros está aceitável para que o enlace entre em serviço. Controle de fluxo Quando o MTP2 detecta que o buffer de recepção ficou cheio, ele assim determina o congestionamento na recepção de unidades de sinal e notifica o nodo remoto transmitindo unidades de 19